石墨烯如何助力固態(tài)鋰金屬電池，多種創(chuàng)新方案可供選擇
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時(shí)間：2021-04-12
【概要描述】致力于石墨烯研發(fā)生產(chǎn)十多年的G3公司，提出了幾項(xiàng)利用石墨烯解決固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)難題的創(chuàng)新方向，讓我們看看這些方案是否靠譜？
在上一篇文章里我們介紹了位于美國俄亥俄州丹頓市的Global Graphene Group環(huán)球石墨烯集團(tuán)，簡稱G3，由臺(tái)灣籍的華人教授張博增創(chuàng)立。公司從研發(fā)生產(chǎn)石墨烯起家，近幾年開始轉(zhuǎn)向研發(fā)生產(chǎn)硅負(fù)極材料，同時(shí)張博增也開始著眼于固態(tài)金屬鋰電池的研發(fā)，并且已在這方面申請(qǐng)了38個(gè)相關(guān)專利。這篇文章，我們就帶你梳理一下G3公司在研發(fā)固態(tài)金屬鋰電池方面的一些創(chuàng)新。
盡管我們之前已在一篇文章里介紹過固態(tài)鋰金屬電池的技術(shù)挑戰(zhàn)，《技術(shù)起底QuantumScape的鋰金屬固態(tài)電池?zé)岢?/span>》，這里我們還是再簡要說明一下目前的固態(tài)金屬鋰電池面臨的幾大難題：
1. 鋰金屬會(huì)與液體電解質(zhì)反應(yīng)，從而造成電池容量迅速降低；
2. 充電時(shí)鋰金屬往負(fù)極導(dǎo)電箔上沉積，由于電流分散不均勻，會(huì)造成局部沉積過快，從而形成鋒利的鋰枝晶，如下圖所示。鋰枝晶會(huì)刺破高分子隔膜，造成電池短路，從而失效。
3. 同樣因?yàn)榫植砍练e過快，一些凸起的鋰金屬末端會(huì)與大金屬塊分離，從而變成孤立的鋰顆粒，失去與負(fù)極導(dǎo)電箔的連接，失去導(dǎo)電性，變成無用的游離金屬顆粒，慢慢降低電池容量。
4. 負(fù)極的鋰金屬塊不斷地生成和消解，引起負(fù)極空間的變形，金屬塊慢慢會(huì)失去與導(dǎo)電金屬箔的緊密連接，導(dǎo)電性逐漸變?nèi)?，從而造成能效越來越低?/span>
針對(duì)上述問題，G3公司在他們的固態(tài)鋰金屬電池專利中提出了以下一些解決方案：
1. 在負(fù)極金屬導(dǎo)電箔上添加石墨烯保護(hù)層，用以限制晶枝的產(chǎn)生與生長；
2. 石墨烯保護(hù)層因?yàn)榫哂辛己玫难诱剐?，同樣也能起到緊密連接鋰金屬與固態(tài)電解質(zhì)的功能；
3. 使用具有良好彈性的導(dǎo)電高分子保護(hù)層，防止鋰金屬與液態(tài)電解質(zhì)接觸。
我們從具體的技術(shù)角度來分析一下G3公司的這些創(chuàng)新解決方案。首先是石墨烯保護(hù)層。石墨烯因?yàn)槠涮厥獾谋咏Y(jié)構(gòu)，很容易形成下圖這種類似于“紙牌屋”的多孔結(jié)構(gòu)。這些空隙為金屬鋰的沉積提供了預(yù)設(shè)的空間，而石墨烯較強(qiáng)的支架強(qiáng)度能確保負(fù)極材料在組裝時(shí)不被壓壞。這個(gè)多孔結(jié)構(gòu)有效地解決了金屬鋰電池在充放電循環(huán)中的空間變化問題，可以防止負(fù)極不同材料層之間的分離和斷路。
同時(shí)，由于石墨烯具有非常優(yōu)異的導(dǎo)電性能，可以避免在其表面生長的鋰金屬產(chǎn)生局部電流過大，從而避免鋰晶枝的產(chǎn)生與擴(kuò)大。如果能成功避免鋰晶枝的產(chǎn)生，則可以繼續(xù)使用傳統(tǒng)的高分子隔膜，不僅大大節(jié)省成本，也能提高電池的性能。
G3公司的第二個(gè)創(chuàng)新方向是使用具有高彈性的導(dǎo)電高分子保護(hù)層。這個(gè)高分子層會(huì)被設(shè)置在鋰金屬與隔膜之間，其主要目的是利用其高彈性來彌補(bǔ)充放電時(shí)的空間變化。這個(gè)創(chuàng)新已被很多公司用于硅負(fù)極的設(shè)計(jì)，所以它能幫助提高鋰金屬電池的循環(huán)壽命，也就不令人意外了。
第三個(gè)創(chuàng)新方向是往石墨烯多孔結(jié)構(gòu)里添加過渡金屬顆粒，因?yàn)橐恍┻^渡金屬能降低鋰金屬在石墨烯表面沉積的化學(xué)能，起到類似于催化劑的作用。這樣就能降低鋰金屬往已有金屬塊上沉積的概率，提高鋰金屬往尚未覆蓋的石墨烯表面沉積的概率。簡而言之，就是能有效避免局部集中沉積，讓鋰金屬的沉積層變得更加光滑，從而降低鋰晶枝的產(chǎn)生。
第四個(gè)創(chuàng)新方向是在石墨烯表面人工合成電解質(zhì)-固體界面膜，從而保護(hù)鋰金屬不與液體電解質(zhì)發(fā)生接觸。這個(gè)措施也已被廣泛應(yīng)用于硅負(fù)極材料中，因此不再贅述。
最后一項(xiàng)創(chuàng)新方向是往石墨烯多孔結(jié)構(gòu)里加入已與鋰金屬結(jié)合的硅鋰合金。這個(gè)方法聽起來似乎更偏向于是對(duì)于硅負(fù)極材料的解決方案，而跟固態(tài)鋰金屬電池的相關(guān)性不大，畢竟在負(fù)極，鋰是以硅鋰合金的形式存在，而不再是單純的鋰金屬。
總而言之，在G3公司提出的這些創(chuàng)新方向里，前三個(gè)還是與固態(tài)鋰金屬電池緊密相關(guān)的，而且從理論基礎(chǔ)的角度來看也具有很好的合理性。而在技術(shù)實(shí)現(xiàn)的層面，這些方向都具有很大的挑戰(zhàn)性，如何能更好更快地實(shí)現(xiàn)這些措施，將是接下來的幾年里固態(tài)鋰金屬電池領(lǐng)域努力奮斗的目標(biāo)。
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參考文獻(xiàn)：
1. GlobalGraphene Group公司官網(wǎng)www.theglobalgraphenegroup.com
2. OnDemand Webinar- The Path Forward for Solid-State EV Batteries, https://www.theglobalgraphenegroup.com/ondemand-webinar-the-path-forward-for-solid-state-ev-batteries/
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作者簡介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國德克薩斯大學(xué)（奧斯汀）化學(xué)工程博士。主要從事儲(chǔ)能電池開發(fā)工作，先后在跨國企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項(xiàng)美國能源部資助研發(fā)項(xiàng)目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎(jiǎng)。在材料學(xué)及儲(chǔ)能領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表論文17篇，擔(dān)任5家國際期刊審稿工作，擁有國際發(fā)明專利申請(qǐng)17項(xiàng)。
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深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，旨在通過電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用助力于實(shí)現(xiàn)中國“碳中和”的目標(biāo)。發(fā)展初期，公司專注利用在儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及杰出的研發(fā)能力向中國儲(chǔ)能市場提供技術(shù)支持與咨詢服務(wù)。同時(shí)，公司著重于對(duì)中國儲(chǔ)能市場進(jìn)行調(diào)查與分析，為中國市場研發(fā)或引入最先進(jìn)、最有效的儲(chǔ)能技術(shù)。
公司技術(shù)研究與發(fā)展方向：水性儲(chǔ)能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術(shù)。
國內(nèi)業(yè)務(wù)：液流電池與高能量密度鋰離子電池技術(shù)合作、學(xué)術(shù)交流、公司技術(shù)研發(fā)方向的技術(shù)講座、研發(fā)咨詢、及論文寫作指導(dǎo)。